化工流體流動課程設(shè)計----真空蒸發(fā)制鹽系統(tǒng)鹵水分效預(yù)熱器設(shè)計

1、<p>　　化工原理課程設(shè)計說明書</p><p>　　設(shè)計題目：真空蒸發(fā)制鹽系統(tǒng)鹵水分效預(yù)熱器設(shè)計</p><p>　　化工流體傳熱課程設(shè)計任務(wù)書</p><p>　?。ㄒ唬┰O(shè)計題目：真空蒸發(fā)制鹽系統(tǒng)鹵水分效預(yù)熱器設(shè)計</p><p>　?。ǘ┰O(shè)計任務(wù)及條件</p><p>　　1、蒸發(fā)系統(tǒng)流程及有關(guān)條件

2、見附圖。</p><p>　　2、系統(tǒng)生產(chǎn)能力： 90 萬噸/年。</p><p>　　3、有效生產(chǎn)時間：300天/年。</p><p>　　4、設(shè)計內(nèi)容： 第三套 效預(yù)熱器（組）第 三 臺預(yù)熱器的設(shè)計。</p><p>　　5、鹵水分效預(yù)熱器采用單管程固定管板式列管換熱器，試根據(jù)附圖中鹵水預(yù)熱的溫度要求對預(yù)熱器（組）進(jìn)

3、行設(shè)計。</p><p>　　6、鹵水為易結(jié)垢工質(zhì)，鹵水流速不得低于0.5m/s。</p><p>　　7、換熱管直徑選為Φ38×3mm。</p><p>　　8、鹵水物性參數(shù)隨溫度的變化，當(dāng)手冊查不到時，可按水的變化規(guī)律推算。</p><p><b>　　（三）設(shè)計項目</b></p><

4、p>　　1、由物料衡算確定鹵水流量；</p><p>　　2、假設(shè)K計算傳熱面積；</p><p>　　3、確定預(yù)熱器的臺數(shù)及工藝結(jié)構(gòu)尺寸；</p><p>　　4、核算總傳熱系數(shù)；</p><p><b>　　5、核算壓降；</b></p><p><b>　　6、初步經(jīng)濟(jì)衡算；

5、</b></p><p>　　7、確定預(yù)熱器附件；</p><p><b>　　8、設(shè)計評述。</b></p><p><b>　　（四）設(shè)計要求</b></p><p>　　1、根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求編制詳細(xì)設(shè)計說明書。</p><p>　　2、按機(jī)械制圖標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，

6、繪制預(yù)熱器的工藝條件圖（2#），注意工藝尺寸和結(jié)構(gòu)的清晰表達(dá)。</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　第一章 設(shè)計簡介4</p><p>　　第二章 熱力學(xué)計算5</p><p>　　2.1由物料衡算確定鹵水流量5</p><p>　　2.2 假設(shè)K計算傳熱面積6&

7、lt;/p><p>　　2.2.1熱力學(xué)數(shù)據(jù)的獲取6</p><p>　　2.2.2 估算傳熱面積7</p><p>　　2.2.3.工藝尺寸計算7</p><p>　　2.2.4.核算總傳熱系數(shù)9</p><p>　　2.2.5核算壓降10</p><p>　　2.3確定預(yù)熱器附件12

8、</p><p>　　2.4初步經(jīng)濟(jì)衡算。14</p><p>　　2.5換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果15</p><p>　　第三章 設(shè)計評述16</p><p>　　第四章 主要符號說明16</p><p>　　第五章 參考文獻(xiàn)17</p><p><b>　　第一章 設(shè)

9、計簡介 </b></p><p>　　換熱器，是將熱流體的部分熱量傳遞給冷流體的設(shè)備，又稱熱交換器。換熱器是化工、石油、動力、食品及其它許多工業(yè)部門的通用設(shè)備，在生產(chǎn)中占有重要地位。在化工生產(chǎn)中換熱器可作為加熱器、冷卻器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，應(yīng)用更加廣泛。換熱器種類很多，但根據(jù)冷、熱流體熱量交換的原理和方式基本上可分三大類即：間壁式、混合式和蓄熱式。在三類換熱器中，間壁式換熱器應(yīng)用最多。 &

10、lt;/p><p>　　隨著我國工業(yè)的不斷發(fā)展，對能源利用、開發(fā)和節(jié)約的要求不斷提高，因而對換熱器的要求也日益加強(qiáng)。換熱器的設(shè)計、制造、結(jié)構(gòu)改進(jìn)及傳熱機(jī)理的研究十分活躍，一些新型高效換熱器相繼問世。 </p><p>　　為了適應(yīng)發(fā)展的需要，我國對某些種類的換熱器已經(jīng)建立了標(biāo)準(zhǔn)，形成了系列。完善的換熱器在設(shè)計或選型時應(yīng)滿足以下基本要求：　　</p><p>　　合理

11、地實現(xiàn)所規(guī)定的工藝條件； 　　</p><p><b>　　結(jié)構(gòu)安全可靠； 　</b></p><p>　　便于制造、安裝、操作和維修；</p><p><b>　　經(jīng)濟(jì)上合理。 </b></p><p>　　此換熱器設(shè)計要求用單管程固定管板式列管換熱器以二次蒸汽為加熱流體預(yù)熱鹵水，將鹵水由 59度

12、加熱到61度。</p><p>　　通過對鹵水預(yù)熱列管式換熱器設(shè)計，達(dá)到讓學(xué)生了解該換熱器的結(jié)構(gòu)特點，并能根據(jù)工藝要求選擇適當(dāng)?shù)念愋停瑫r還能根據(jù)傳熱的基本原理選擇流程，確定換熱器的基本尺寸，計算傳熱面積及計算流體阻力壓降等。 </p><p><b>　　第二章 熱力學(xué)計算</b></p><p>　　2.1由物料衡算確定鹵水流量</

13、p><p>　　從已知表格2-1中得知鹵水組成如下：</p><p>　　表2-1 鹵水離子組成表</p><p>　　因為鹵水的物理性質(zhì)隨溫度變化而變化，因此為方便通過熱力學(xué)方程估算鹵水在不同溫度下的性質(zhì)，因此通過質(zhì)量橫算，假設(shè)鹵水由NaCl、CaSO4、MgCl2、H2O以積極少量的CaCl2（因質(zhì)量過小對估算影響不大，因此忽略）組成，組成結(jié)果如下表所示。&l

14、t;/p><p>　　表2-2 鹵水質(zhì)量組成表</p><p>　　根據(jù)設(shè)計任務(wù)書的要求，即設(shè)計年產(chǎn)量為90萬噸/年的鹽，因此根據(jù)第二章的鹵水組成表進(jìn)行質(zhì)量衡算，得出總鹵水量L為：</p><p>　　從圖中可以得出進(jìn)入第二效的鹵水流量F為：</p><p>　　2.2 假設(shè)K計算傳熱面積</p><p>　　2.2

15、.1熱力學(xué)數(shù)據(jù)的獲取</p><p>　?。?）冷流體鹵水的定性溫度：</p><p>　　入口溫度為，出口溫度為</p><p><b>　　循環(huán)水的定性溫度為</b></p><p>　　表2-3 鹵水物理性質(zhì)表</p><p>　　（2）蒸汽及飽和水物理性質(zhì)及熱力學(xué)性質(zhì)</p&g

16、t;<p>　　根據(jù)已知流程中第三效的加熱蒸汽為30.0kPa下的飽和蒸汽，因此查飽和蒸汽物性表，得出蒸汽物理性質(zhì)及熱力學(xué)性質(zhì)如下：</p><p>　　表3-4 飽和蒸汽及飽和水性質(zhì)表</p><p>　　2.2.2 估算傳熱面積</p><p><b>　　（1）計算熱負(fù)荷</b></p><p>

17、;　　水蒸氣耗量 </p><p>　　（3）計算有效平均溫度差</p><p><b>　　(4）流體流經(jīng)選擇</b></p><p>　　冷流體鹵水不潔凈且易結(jié)垢宜走管程，便于清洗；熱流體為飽和水蒸汽，宜走殼程以便于及時排除冷凝液，且蒸汽結(jié)晶，一般不清洗（5）選取經(jīng)驗傳熱系數(shù)K值</p><p>　　參照文獻(xiàn)

18、2附錄二十六，總傳熱系數(shù)K現(xiàn)暫?。?lt;/p><p><b>　?。?）估算換熱面積</b></p><p>　　2.2.3.工藝尺寸計算</p><p>　　管徑和管內(nèi)流速 根據(jù)設(shè)計要求，選用Φ38×3mm較高級冷拔傳熱管（碳鋼），取管內(nèi)鹵水流速 u=0.7m/s。</p><p>　　管長和傳熱管數(shù)

19、選用L=6m的管長。</p><p>　　可依據(jù)傳熱管內(nèi)徑和流速確定單程傳熱管數(shù)</p><p><b>　　因此實際換熱面積</b></p><p>　　采用此換熱面積的換熱器，則要求過程的總傳熱系數(shù)為</p><p>　　（3）平均傳熱溫差校正及殼程數(shù):</p><p>　　平均溫差校正系數(shù)有

20、 :</p><p><b>　　R=</b></p><p>　　單殼程，單管程結(jié)構(gòu)，查得參考文獻(xiàn)2</p><p>　　平均傳熱溫差 ℃</p><p>　　由于平均傳熱溫差校正系數(shù)大于0.8，同時殼程流體流量較大，故取單殼程合適。</p><p><b>　　(4）殼體內(nèi)徑 &

21、lt;/b></p><p>　　采用單管程結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)徑可按下式估算。</p><p><b>　　則殼體內(nèi)徑為</b></p><p>　　參照文獻(xiàn)2表6-4 換熱管外徑為38mm時，管間距t=48m，且選取管子按照正三角形排列，則橫過管數(shù)中心線管的根數(shù)</p><p><b>　　則殼體外徑<

22、/b></p><p>　　按上述方法計算出的殼體內(nèi)徑后進(jìn)行圓整，選用標(biāo)準(zhǔn)800mm</p><p>　　立式固定管板式換熱器的規(guī)格如下：</p><p>　　公稱直徑D…………………………800mm</p><p>　　公稱換熱面積S……………………120.4m2</p><p>　　管程數(shù)…………………………

23、……1</p><p>　　管數(shù)n………………………………171根</p><p>　　管長L………………………………6m</p><p>　　管間距………………………………48mm</p><p>　　管子直徑……………………………</p><p>　　管子排列方式………………………正三角形</p>&

24、lt;p>　　(5)折流擋板結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　本設(shè)計可采用弓形擋板，弓形折流板圓缺高度為殼體內(nèi)徑的25%.。折流擋板間距一般為0.2～1.0倍的殼體內(nèi)徑，固定管板式系列標(biāo)準(zhǔn)板間距為150mm、300mm、600mm三種，考慮到本設(shè)計中外層為蒸汽冷凝，冷凝傳熱系數(shù)很大并且與蒸汽流速關(guān)系很小，因此折流擋板作用不大，所以采用間距為600mm，共用9塊擋板即可。</p><p>

25、　　2.2.4.核算總傳熱系數(shù)</p><p>　?。?）管程對流傳熱系數(shù)</p><p>　　管程流體流速=0.7m/s</p><p><b>　　則</b></p><p>　?。?）殼程對流傳熱系數(shù)</p><p>　　殼程為低壓蒸汽冷凝釋放潛熱傳熱，蒸汽冷凝的對流傳熱系數(shù)系數(shù)相對較大，一

26、般情況下，在10000~15000之間。本預(yù)熱器中被加熱流體沒有出現(xiàn)相變化的話，傳熱的熱阻主要集中在冷流體這一側(cè)，冷熱兩側(cè)給熱系數(shù)相差數(shù)倍甚至上百倍，這種情況下，水蒸汽無論取10000還是15000，其總傳熱系數(shù)計算值基本相差無幾。由于流速較低，根據(jù)工程經(jīng)驗可以取對流傳熱系數(shù)為10000 。</p><p><b>　?。?）壁面污垢熱阻</b></p><p>　　

27、參照文獻(xiàn)2附錄二十，管程壁面污垢熱阻0.000172，殼程壁面污垢熱阻為0.000086，根據(jù)換熱器鋼管材質(zhì)可以查出其熱阻為0.00005。</p><p><b>　?。?）總傳熱系數(shù)</b></p><p>　　故設(shè)計的換熱器是合適的，安全系數(shù)為15.3%</p><p><b>　　2.2.5核算壓降</b><

28、/p><p><b>　　管程壓降</b></p><p>　　其中Ft=1.5，Ns=1,Np=1。</p><p>　　對于碳鋼管，取管壁粗糙度ε=0.1mm</p><p>　　有λ-Re關(guān)系圖中查得λ=0.03</p><p>　　（2）殼程壓降 </p><p>

29、<b>　　, , </b></p><p><b>　　流體流經(jīng)管束的阻力</b></p><p>　　管子為正三角形排列F=0.5</p><p><b>　　殼程流通面積 </b></p><p>　　殼程流體流速及其雷諾數(shù)分別為：</p><p&g

30、t;　　流體流過折流板缺口的阻力 , </p><p><b>　　總阻力 </b></p><p>　　2.3確定預(yù)熱器附件</p><p><b>　　膨脹節(jié) </b></p><p>　　因為此換熱器的傳熱溫差較?。?lt;50度），所以換熱器不需要使用膨

31、脹節(jié)。</p><p><b>　　折流擋板 </b></p><p>　　折流板直徑與殼體直徑之間的間隙取3.5mm，折流板厚度取10mm，因為冷熱流股均為常見物質(zhì)，因此折流擋板選用普通類型即可，即切去弓星高度25%的弓形折流擋板。因為折流擋板間距一般為0.2～1.0倍的殼層直徑且常見距離為150mm、300mm、600mm三種，考慮到本設(shè)計中外層為蒸汽冷凝，冷凝

32、傳熱系數(shù)很大并且與蒸汽流速關(guān)系很小，因此折流擋板作用不大，所以采用間距為600mm，共用9塊擋板即可。</p><p><b>　　外殼壁厚 </b></p><p>　　殼體、管箱殼體和封頭共同組成了管殼式換熱器的外殼，管殼式換熱器的殼體通常是由管材或板材卷制而成的，當(dāng)直徑不小于400mm時，采用板材卷制殼體和管箱殼體。其直徑系列應(yīng)與封頭、連接法蘭的系列匹配，以便

33、于法蘭和封頭的選型。一般情況下，當(dāng)直徑小于1000mm時，直徑相差100mm為一個系列。本設(shè)計采用碳素鋼Q235-B鋼材，在實際設(shè)計中，為了保證殼體具有足夠的剛度，外殼壁厚取8mm。</p><p><b>　　封頭設(shè)計</b></p><p>　　管箱上下封頭均采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，橢圓形封頭是由長短半軸分別由a，b的半橢圓和高度為ho的短圓筒（通稱為直邊）兩部分構(gòu)成的

34、。直邊的作用是為了保證封頭的制造質(zhì)量和避免筒體與封頭間的環(huán)向焊縫受到邊緣應(yīng)力的作用。</p><p>　　根據(jù)JB4737-95，選用公稱直徑800mm，曲面高度200mm，直邊高度25mm，壁厚8mm的封頭。封頭質(zhì)量為47.13kg。</p><p><b>　　管板</b></p><p>　　管板是管殼式換熱器的一個重要元件，它除了與管子

35、和殼體等連接外，還是換熱器中的一個主要受壓元件。對于管板的設(shè)計，除滿足強(qiáng)度要求外，同時應(yīng)合理考慮其結(jié)構(gòu)設(shè)計。管板厚度除滿足計算要求外，當(dāng)管板和管熱管采用焊接時，應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)式就和制造的要求，且不小于12mm。</p><p><b>　　法蘭及裙座設(shè)計</b></p><p>　　殼層的封頭和主體鏈接采用法蘭連接，選用標(biāo)準(zhǔn)尺寸為800的法蘭連接。鹵水進(jìn)出口的接管法蘭選用

36、標(biāo)準(zhǔn)尺寸為200的法蘭連接。水蒸氣入口接管的法蘭選用標(biāo)準(zhǔn)尺寸為300的法蘭連接。冷卻水出口接管法蘭選用標(biāo)準(zhǔn)尺寸為50的法蘭連接。</p><p>　　對于高為6m的換熱器，可以按照經(jīng)驗選用0.5m高的裙座作為支撐。</p><p><b>　　換熱器接管設(shè)計</b></p><p>　　其中因為管道中水溶液的流速一般為1.5～3m/s，此處選用

37、3m/s，所以鹵水的進(jìn)出口管徑為：</p><p>　　因為飽和蒸汽流速一般為20～40m/s，因此此處選用30m/s。</p><p>　　因此代入公式計算出飽和蒸汽入口接管管徑為：</p><p>　　因冷凝水的流速一般為0.5 m/s，所以冷凝水的出水口管徑為：</p><p><b>　　主要連接形式</b>&l

38、t;/p><p>　　對于此換熱器，主要連接有殼體與管板的連接、換熱管與管板的連接和拉桿與管板的連接。</p><p>　　殼體與管板的連接采用直接焊接的形式，見圖5-1所示。該形式焊接質(zhì)量容易保證。</p><p>　　圖5-1 殼體與管板連接形式</p><p>　　換熱管與管板的連接采用焊接方式固定，焊接口形式如圖5-2所示。<

39、/p><p>　　圖5-2 換熱管與管板連接焊接口形式</p><p>　　拉桿與管板的連接采用將拉桿擰入管板的可拆螺紋連接，拉桿是一根兩端均帶有螺紋的長桿，一端擰入管板，折流擋板穿在拉桿上，各板之間則以套在拉桿上的定距管來保證間距，最后一塊折流擋板用螺母擰在拉桿上予以固緊。</p><p><b>　　2.4初步經(jīng)濟(jì)衡算</b></p

40、><p>　　根據(jù)大量網(wǎng)上資料，查閱20平方米（20000RMB）、60平方米（65000RMB）的列管式換熱器價格以及部分公司的銷售規(guī)律即1000元/m2（碳鋼），因此根據(jù)換熱器換熱面積為120.4m2，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)預(yù)估得出每臺換熱器大約120400元，</p><p>　　2.5換熱器主要結(jié)構(gòu)尺寸和計算結(jié)果</p><p><b>　　第三章 設(shè)計評述<

41、/b></p><p>　　本次化工課程設(shè)計是對列管式換熱器的設(shè)計，通過查閱有關(guān)文獻(xiàn)資料、上網(wǎng)搜索資料以及反復(fù)計算核實，本列管式換熱器的設(shè)計可以說基本完成了。下面就是對本次設(shè)計的一些評述。</p><p>　　固定管板式換熱器的兩端和殼體連為一體，管子則固定于管板上，結(jié)構(gòu)簡單；在相同的殼體直徑內(nèi)，排管最多，比較緊湊，本設(shè)計由于換熱任務(wù)較大，故管數(shù)較多。由于這種結(jié)構(gòu)使殼側(cè)清洗困難，所以

42、殼程走不易結(jié)垢的混合氣體。</p><p>　　在設(shè)計過程中應(yīng)盡量做到：</p><p>　　1、增大傳熱系數(shù)。在綜合考慮流體阻力及不發(fā)生流體誘發(fā)振動的情況下，盡量選擇較高的流速。</p><p>　　2、提高平均溫差。對于無相變的流體，采用逆流的傳熱方式，不僅可提高平均溫差，還有助于減少結(jié)構(gòu)中的溫差應(yīng)力。</p><p>　　3、妥善布置傳

43、熱面。本設(shè)計采用合適的管間距和排列方式，不僅可以加大單位空間內(nèi)的傳熱面積，還可以改善流體的流動特性。并且錯列管束的傳熱方式比并列的好。</p><p>　　通過本次設(shè)計，我學(xué)會了如何根據(jù)工藝過程的條件查找相關(guān)資料，并從各種資料中篩選出較適合的資料，根據(jù)資料確定主要工藝流程，主要設(shè)備，及計算出主要設(shè)備及輔助設(shè)備的各項參數(shù)及數(shù)據(jù)。了解到了工藝設(shè)計計算過程中要進(jìn)行工藝參數(shù)的計算。通過設(shè)計不但鞏固了對主體設(shè)備圖的了解，還

44、學(xué)習(xí)到了工藝流程圖的制法。通過本次設(shè)計不但熟悉了化工原理課程設(shè)計的流程，加深了對冷卻器設(shè)備的了解，而且學(xué)會了更深入的利用圖書館及網(wǎng)上資源，對前面所學(xué)課程有了更深的了解。但由于本課程設(shè)計屬我第一次設(shè)計，而且時間比較短，查閱的文獻(xiàn)有限，本課程設(shè)計還有較多地方不夠完善，不能夠進(jìn)行有效可靠的計算。</p><p>　　第四章 主要符號說明</p><p><b>　　英文字母</b

45、></p><p>　　z——折流板間距，m；　　C——系數(shù)，無量綱；　　d——管徑，m；% N/ Q" Q2 J% A　　D——換熱器外殼內(nèi)徑，m；　　f——摩擦系數(shù)；　　F——系數(shù)；　　h——圓缺高度，m；　　K——總傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；　　L——管長，m； m+ i6 ~0 F3 y* o4 P d　　m——程數(shù)；# n2 }$ E p' J

46、0 P　　n——指數(shù)；管數(shù)；程數(shù)；　　N——管數(shù)；程數(shù)；　　NB——折流板數(shù)；</p><p>　　Nu——努塞爾特準(zhǔn)數(shù)；　　P——壓力，Pa；% k+ _4 [% `7 d9 K; K8 g2 U- g% K</p><p>　　Pr——普蘭特準(zhǔn)數(shù)；( [/ I) f9 F/ c2 Z: g　　q——熱通量，W/m2；! s/ u$ ]8 U7 r+ E7 q+ U　　Q—

47、—傳熱速率，W；, q/ A' R+ w8 z a8 f- V　　r——半徑，m；　　氣化潛熱，kJ/kg；! @6 [16 　　R——熱阻，m2·℃/W；　　Re——雷諾準(zhǔn)數(shù)；2 I B3 Z$ e& b, }8 S' J　　S(或A)——傳熱面積，m2；6 A6 n+ T8 g X4 K& G　　t—冷流體溫度，℃；管心距，m；　　T——熱流體溫度，℃；　　u——流速，

48、m/s；　　W——質(zhì)量流量，kg/s，, @( r7 v6 @+ I( S3 B5 p　　V——體積流量，m3/s。希臘字母* |" M# ]2 p* R　　α——對流傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；　　Δ——有限差值；　　λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)；</p><p>　　μ——粘度，Pa·S；　　ρ——密度，kg/m3；$ `! R% ]0 `% R5 a

49、 O　　ψ——校正系數(shù)。, m' b/ D7 N; H下標(biāo)　　c——冷流體；　　h——熱流體；　　i——管內(nèi)；' n$ D; e0 G1 u% u( ?7 J7 A3 _　　m——平均；* \+ u! m2 \$ @0 b! Y　　o——管外；　　s——污垢。# y7 </p><p>　　^ </p><p><b>　　第五

50、章 參考文獻(xiàn)</b></p><p>　?。?）賈紹義，柴誠敬. 化工原理課程設(shè)計. 天津: 天津大學(xué)出版社, 2002</p><p>　?。?）柴誠敬，張國亮. 化工流體流動和傳熱. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2007</p><p>　　黃璐，王保國. 化工設(shè)計. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2001</p><p>　　錢頌